تقنية جديدة للبطاريات على المستوى الجزيئي قد تُحدث نقلة نوعية في عالم التخزين

يُعيد فريق من الباحثين المُبتكرين من جامعة إلينوي النظر في حلول تخزين الطاقة. وتتناول دراستهم المنشورة حديثًا كيفية تعزيز عملية معالجة الطبقات الكهربائية المزدوجة (EDLs) للبطاريات للعملية الكهروكيميائية، مما يُحسّن الأداء ويُنشئ حلول تخزين طاقة أكثر مرونة.

تكشف الدراسة عن كيفية تكوّن روابط البطارية الإلكترونية (EDLs) وتعاونها، وكيفية تعديلها لتحقيق فوائد فريدة. وبالتالي، قد يكون لعملهم تأثيرٌ بالغ على تكنولوجيا البطاريات المستقبلية. إليك ما تحتاج إلى معرفته.

بطاريات أفضل في الطريق

العالم على السعي إلى إنشاء بطاريات أفضل لمواصلة تشغيل العدد المتزايد من الأجهزة المحمولة عالية التقنية التي يستخدمها الشخص العادي يوميًا. في أوائل التسعينيات، كان من الممكن أن يحمل الشخص هاتفًا محمولًا. اقتصرت هذه الأجهزة على خدمات الصوت والرسائل النصية، ودفعت تقنية البطاريات إلى الأمام.

من الشائع اليوم أن يحمل الشخص عدة أجهزة كثيفة البيانات، مثل الهواتف الذكية، والأجهزة القابلة للارتداء، والأجهزة اللوحية، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، أو غيرها من الأجهزة عالية التقنية. تعتمد معظم هذه الأجهزة على بطاريات الليثيوم أيون نظرًا لكثافة طاقتها العالية وعمرها الافتراضي الطويل مقارنةً بالخيارات الأخرى.

تُعد بطاريات الليثيوم أيون أكثر أنواع التخزين المحمولة شيوعًا اليوم. ومع ذلك، تواجه العديد من القيود والمشاكل التي تدفع الباحثين إلى البحث عن بدائل أفضل. ونتيجةً لذلك، استثمر الباحثون والمستثمرون مليارات الدولارات في ابتكار حلول تخزين طاقة أكثر تطورًا وكفاءة. ويحقق هذا الاكتشاف الأخير هذا الهدف، إذ يُقدم طريقةً مبتكرةً لإنتاج بطاريات أفضل عبر مجموعة واسعة من الخيارات الكهروكيميائية.

طبقات كهربائية مزدوجة

لفهم أهمية عمل الباحثين، علينا أولاً فهم ماهية EDLs وكيف تؤثر على العمليات الكهروكيميائية مثل استهلاك الطاقة ووظائف التخزين. تجدر الإشارة إلى أن مفهوم EDLs ليس جديدًا، بل يعود تاريخه إلى أكثر من قرن.

اكتشف هيرمان فون هيلمهولتز هذه الإلكترونات الخفية لأول مرة في خمسينيات القرن التاسع عشر. في ذلك الوقت، لاحظ وجود توزيع مكاني للشحنات الكهربائية، لا يوجد إلا عند تلامس بعض المواد الصلبة والسائلة.

المصدر – أكسفورد

من المثير للاهتمام أن طبقات EDL تتجمع بشكل طبيعي في طبقات بسمك نانومتر عند واجهات المواد الصلبة والسائلة. يتراوح سمكها بين 0.1 و10 نانومتر بناءً على طول ديباي. ويُعدّ طول ديباي مقياسًا للتأثير الكهروستاتيكي الصافي لحامل الشحنة في المحلول. وهو أداة قيّمة يستخدمها المهندسون لمعرفة مدى التأثيرات الكهروستاتيكية.

كيف تساعد EDLs الجيل الحالي

هناك طرق عديدة تُساعد بها موصلات الشحنة الكهربائية (EDLs) في الحفاظ على التوازن الكهربائي المهم في البطاريات، مما يُنتج فرق جهد بين طرفيها. إضافةً إلى ذلك، يُؤثر أداء موصلات الشحنة الكهربائية (EDLs) في الإلكتروليتات على جوانب رئيسية في أداء البطارية، مثل نقل الأيونات، وتخزين الشحنة، والاستقرار.

مشاكل مع EDLs اليوم

من أهم مشاكل الإلكتروليتات الكهرلية (EDLS) اليوم هو ببساطة عدم فهمها. لم يكن لدى العلماء فهم واضح لتكوينها ونموها. يشير التنوي إلى بداية تكوين الطبقة. وبالتالي، لم تكن هناك طريقة للاستفادة من ظاهرة الإلكتروليتات هذه لتحسين نقل الطاقة وتخزينها.

داخل دراسة بطارية EDL الرائدة

ولحسن الحظ، ربما تمكن مهندسو جامعة إلينوي من كشف هذا اللغز من خلال دراستهم المنشورة مؤخرًا¹"يصاحب التبلور عند واجهات المواد الصلبة والسائلة إعادة تكوين الطبقات الكهربائية المزدوجة".

هذه الورقة البحثية هي الأولى التي تستخدم أحدث التقنيات للتعمق في بنية جزيئات EDL وتطورها على المستوى الجزيئي. وتُمثل إنجازًا تاريخيًا، إذ إنها المرة الأولى التي يسجل فيها المهندسون البنية الجزيئية لجزيئات EDL غير المتجانسة المحيطة بتجمعات سطحية آنيًا. ولإنجاز هذه المهمة، استخدم الفريق مجهر القوة الذرية ثلاثي الأبعاد.

مجهر القوة الذرية ثلاثي الأبعاد

في هذه الحالة، استخدم المهندسون المجهر الذري ثلاثي الأبعاد لالتقاط تكوّن وحركة البنى الجزيئية عند واجهاتها بين المواد الصلبة والسائلة. ولاحظوا أن تكوّن EDL يعتمد على التكوينات الأولية التي تكوّنت أثناء شحن البطارية.

تجدر الإشارة إلى أن الفريق استخدم نسخة مُطوّرة من مجهر القوة الذرية ثلاثي الأبعاد، مكّنت المهندسين من التقاط التغيرات على المستوى الذري عبر ثلاثة أبعاد. تُعد طريقة مجهر القوة الذرية ثلاثي الأبعاد مثاليةً عندما يحتاج المهندسون إلى فحص هياكل نانوية معقدة، وقد لعبت دورًا حاسمًا في دفع عجلة تصنيع أشباه الموصلات من الجيل التالي.

الاستجابات الأولية في EDLs

في إطار عملهم، وثّق الفريق كيفية تنظيم طبقات EDL ذاتيًا بناءً على الترسب الكيميائي على السطح الصلب. علاوة على ذلك، وجدوا أن عدم انتظام السطح قد يُغيّر هذه التكوينات، مما يُمكّن من تعديلها في ثلاث استجابات رئيسية: الانحناء، أو الانكسار، أو إعادة الاتصال.

في سيناريو الانحناء، يبدأ خط EDL بالتشكل حول المجموعة الأولية. يختلف هذا السيناريو عن عمليات الانفصال التي ينفصل فيها خط EDL ويشكل طبقات وسيطة مختلفة. وأخيرًا، يؤدي سيناريو إعادة الاتصال إلى دمج الطبقات المنفصلة.

نهج عالمي

أشار الفريق إلى أن استراتيجيتهم يمكن أن تُطبّق كنهج شامل لتحسين مستويات EDL في جميع العمليات الكهروكيميائية. كما ذكروا أن أداء EDL لا يرتبط بالكيمياء المحددة بقدر ما يرتبط بالحجم المحدود لجزيئات السائل.

اختبار تصميم بطارية EDL الجديدة

لاختبار نظرياتهم، ابتكروا طريقةً مُصممةً خصيصًا للفحص المجهري الكهروكيميائي ثلاثي الأبعاد للقوة الذرية. سمح النظام المُطور للفريق بمراقبة بنية طبقة الترابط الكهروكيميائي (EDL) منذ تكوينها على نظام أنود بطارية أيونية سائلة/جرافيتية.

وفّر هذا النهج المُفصّل للغاية مزايا رئيسية للباحثين. من بينها، إمكانية تحديد أنماط الكثافة المكانية. كما أتاحت الطريقة الجديدة فهمًا أعمق لحركية نموّ روابط EDL، وكيفية تأثير عوامل مُختلفة، مثل التغيرات الكيميائية وتغيرات مادة العقدة، على الأداء.

ما كشفته دراسة رابطة الدفاع الإنجليزية

أظهرت نتائج مرحلة الاختبار صحة افتراض المهندسين بإمكانية التلاعب بالمرحلة الأولية من نواة السطح لإحداث تأثيرات فريدة. وقد تمكنوا من بدء تأثيرات رئيسية، مثل إعادة الهيكلة الواضحة.

ساعد نهج المجهر ثلاثي الأبعاد الفريق على إدراك أن أنماط الانحناء والانكسار وإعادة الاتصال تتغير عند تغير حجم مجموعة الطور البيني المحلي، وهي أنماط شائعة خلال التبلور والنمو. قد تُسهم هذه الاكتشافات في دفع عجلة تطوير البطاريات مستقبلًا.

فوائد تحسين EDL

تُقدّم هذه الدراسة فوائد عديدة للسوق. أولًا، ستساعد المهندسين على فهم التفاصيل الرئيسية التي تجعل البطاريات أكثر كفاءة على المستوى الجزيئي. وستساعد هذه البيانات المهندسين على صنع بطاريات أكثر كفاءة في المستقبل.

أجهزة أصغر

جانبٌ رئيسيٌّ آخر من هذا البحث هو أنه سيساعد مهندسي البطاريات على تصنيع أجهزة تخزين أصغر حجمًا. وستزداد أهمية هذه الوحدات مع استمرار تحوّل الإلكترونيات الدقيقة إلى جانبٍ حيويٍّ من الحياة اليومية. في المستقبل، قد نرى هذه التقنية تُسهم في ضمان استمرار عمل أجهزة تنظيم ضربات القلب وغيرها من الأجهزة القابلة للارتداء.

سهولة دمج التكنولوجيا

ستكون المعلومات المُستخلصة من هذا البحث قابلةً للدمج بسهولة في جميع تصاميم البطاريات الكهروكيميائية تقريبًا. ونظرًا لشمولية هذا الاكتشاف، فإنه قد يُسهم في تحسين أكثر بكثير من مجرد كفاءة البطاريات.

التطبيقات الواقعية والجدول الزمني:

هناك العديد من التطبيقات للبيانات الواردة في دراسة "إعادة النظر في أجهزة التخزين". يمكن لهذه التطبيقات استخدام بطاريات أكثر كفاءة للمساعدة في تطوير منتجات أفضل وتوفير خدمات إضافية عند الحاجة. فيما يلي بعض التطبيقات الرئيسية لهذه التقنية.

السيارات الكهربائية

السيارات الكهربائية قطاع سريع النمو يعتمد على بطاريات قوية لتشغيلها. وقد استثمرت هذه الشركات مبالغ طائلة في تكنولوجيا البطاريات، حيث يتعاون العديد منها مع شركات ناشئة لمحاولة ابتكار بدائل لبطاريات الليثيوم أيون. والآن، يمكن لهذه الشركات السعي إلى تحديث أنظمة بطارياتها الحالية لتحسين أدائها.

قطاع الرعاية الصحية

تلعب البطاريات دورًا حيويًا في الرعاية الصحية، إذ يُمكن أن تُشكّل جزءًا أساسيًا من علاج أي شخص. بدءًا من الأجهزة القابلة للارتداء المُصممة لمراقبة المرضى ووصولًا إلى الأطراف الروبوتية الكاملة، ستساعد تقنية البطاريات هذه على إبقاء هذه الأجهزة قيد التشغيل لفترة أطول.

المدن الذكية

سيؤدي ظهور المدن الذكية حول العالم إلى زيادة الطلب على الطاقة. ومن شأن التحسينات التي أُجريت عبر دراسة إعادة هيكلة شركة كهرباء لبنان أن تُسهّل تشغيل المدن الذكية، إذ يُمكن تحويل هذه الأجهزة إلى بنوك طاقة كبيرة.

مصادر الطاقة المتجددة

تُعدّ البطاريات عنصرًا أساسيًا في بدائل الطاقة الخضراء اليوم. تستطيع مزارع الطاقة الشمسية وطاقة الرياح توليد كميات كبيرة من الطاقة، ولكنها تحتاج إلى مكان لتخزين الطاقة غير المُستخدمة. يمكن لحلول البطاريات الحالية أن تشهد تحسنًا كبيرًا من خلال تعزيز خط كهرباء الطاقة (EDL) واستخدامه لإنشاء حلول تخزين ضخمة لمزارع الطاقة الشمسية وطاقة الرياح مستقبلًا.

فضاء

يبدو أن مستقبل الطيران سيكون كهربائيًا. ولذلك، هناك العديد من الشركات التي تُنتج بالفعل طائرات تعمل بالطاقة الكهربائية. وحتى الآن، كان العامل المُقيّد الرئيسي في هذا المجال هو نسبة وزن البطارية إلى قوتها. قد يُساعد هذا الاكتشاف في التغلب على هذا العائق ودفع عجلة الابتكار في اقتصاد الطيران الفضائي الذي يعمل بالبطاريات.

إعادة النظر في الجدول الزمني لتخزين الطاقة

عند دراسة طبيعة هذه الدراسة، يُتوقع أن تبدأ هذه التقنية بدخول السوق خلال السنوات الخمس المقبلة. أولًا، سيحتاج الباحثون إلى شراكة مع شركة مصنعة للبطاريات لطرح المنتجات الجديدة في السوق. وستستغرق هذه الخطوة بضع سنوات على الأقل لوضع خطط التصنيع وبدء العمل بها.

إعادة التفكير في تخزين الطاقة للباحثين

استضافت كلية غرينجر للهندسة بجامعة إلينوي دراسة "إعادة التفكير في تخزين الطاقة". وتضمنت الورقة البحثية ينغجي تشانغ كباحثة رئيسية، وشان تشو كمؤلف رئيسي. كما تضمنت الورقة أعمالًا لكل من تشيان آي، ولاليث كريشنا سامانث بوناجيري، وكاوستوب س. بانسي، وجيهيون كيم. كما حصلت المجموعة على تمويل من مكتب البحوث العلمية التابع للقوات الجوية.

إعادة التفكير في مستقبل تخزين الطاقة

مستقبل هذه التقنية واعد، إذ تتضمن تطبيقاتها مجموعة واسعة من المجالات المتعلقة بالكيمياء الكهروكيميائية. سيبحث المهندسون الآن في كيفية تحسين سلوك الإلكتروليتات الكهروكيميائية في محاليل الحالة الصلبة. كما سيبحثون عن شراكات تصنيع وتطبيقات مستقبلية.

الاستثمار في تخزين الطاقة

يُعد سوق البطاريات قطاعًا سريع النمو في الاقتصاد. يُعدّ مُصنّعو البطاريات والباحثون فيها عنصرًا حيويًا في مجتمعنا الإلكتروني المعاصر. ولذلك، تتنافس العديد من الشركات على الصدارة في هذا السوق. إليكم شركة واحدة لا تزال قوةً ابتكاريةً في سوق البطاريات.

EnerSys

EnerSys (ENS + 0.11٪) دخلت السوق عام ٢٠٠٠، نتيجة اندماج شركة يواسا وشركة جي إس للبطاريات. وحدت الشركتان جهودهما، وفي عام ٢٠٠١، اعتمدتا اسم EnerSys ليعكس تركيزهما المتجدد على أن تصبحا لاعبًا رئيسيًا في سوق البطاريات. والجدير بالذكر أنه في عام ٢٠٠٤، أُدرجت الشركة في بورصة نيويورك.

تقدم شركة EnerSys مجموعة واسعة من المنتجات، بما في ذلك بطاريات مصممة خصيصًا لقطاعات الاتصالات، والفضاء، والدفاع، والنقل، ومراكز البيانات، وأنظمة إمدادات الطاقة غير المنقطعة. ومن اللافت للنظر أن منتجات الشركة تُستخدم في معدات صناعية حيوية، بما في ذلك أدوات التعدين، والرافعات الشوكية الكهربائية، وغيرها من المركبات الكهربائية.

منذ انطلاقها، استحوذت شركة EnerSys باستمرار على منافسين مثيرين للاهتمام وسريعي النمو. تشمل هذه الاستحواذات مجموعة تخزين الطاقة التابعة لشركة Invensys plc (عام ٢٠٠٢)، وHawker (عام ٢٠٠٣)، وقسم الطاقة المحركة التابع لشركة FIAMM (عام ٢٠٠٥)، وPurcell Systems (عام ٢٠١٣)، وAlpha Technologies (عام ٢٠١٨)، وBren-Tronics (عام ٢٠٢٤).

ساعد كل استحواذ شركة EnerSys على تعزيز حضورها في السوق وتوسيع خطوط منتجاتها وتقنياتها. على الراغبين في شراء أسهم بطاريات راسخة وذات سمعة طيبة إجراء المزيد من البحث حول EnerSys وخطط أعمالها المستقبلية.

أحدث أخبار وتطورات أسهم EnerSys (ENS)

إعادة النظر في تخزين الطاقة: الخاتمة

لا يسعنا إلا أن نشيد بهؤلاء المهندسين. لقد أدركوا وجود نقص في فهم تأثيرات وتكوين EDLs، وسعوا جاهدين لإيجاد حل لهذه المشكلة. سيكون عملهم بمثابة منارة تُسهم في إطلاق المزيد من الابتكارات في أسواق البطاريات. ونتيجةً لذلك، يعتبره الكثيرون إنجازًا هامًا في تطوير البطاريات.

تعرف على المزيد حول تطورات الطاقة التكنولوجية الفائقة الرائعة الأخرى هنا.

الدراسات المشار إليها:

^{1. Zhou, S., Ai, Q., Bonagiri, LKS, Panse, KS, Kim, J., & Zhang, Y. (2025). يصاحب التبلور عند واجهات المواد الصلبة والسائلة إعادة تكوين الطبقات الكهربائية المزدوجةوقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم، 122(32)، e2421635122. www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2421635122}